选择性催化还原SCR流场优化浅析

詹清阳 刘晓杰 阮富城 欧鲤辉 李 颖 金立梅

（1.国能（泉州）热电有限公司，福建 泉州 362801；2.深圳市安瑞昕电力科技有限公司，广东 深圳 518038）

0 引言

我国是世界上为数不多以煤炭为主要能源的国家，煤炭的大量开发和利用给环境造成了严重的污染，其中氮氧化物（NOx）是煤炭燃烧产生的主要污染物之一，其对大气环境造成的危害已成为影响生态环境和经济社会可持续发展的重要因素，因其能够产生酸雨、引起臭氧层破坏和光化学烟雾等严重问题，近年来受到人们广泛的关注[1]。2015年国家三部委联合印发《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》，要求各火电企业NOx的排放值不高于50mg/Nm3，给电力行业带来了严峻挑战，促成了各火电机组开始新一轮的氮氧化物超低排放改造。传统的脱硝方法主要包括分级燃烧、再燃技术以及低NOx燃烧器技术。尽管这些方法在降低氮氧化物排放过程中发挥了巨大成效，但是在面对新的超低排放值NOx≤50mg/Nm3显得乏力。

选择性催化还原技术（SCR）以其成熟的技术、超高的脱硝效率以及超低热损耗被广泛用于燃煤电厂氮氧化物超低排放改造，但是我国的SCR技术起步相对较晚，而且由于国家政策的缩紧，大量的机组在新一轮的氮氧化物超低排放改造加装SCR反应器，缺少足够的改造空间，烟道存在普遍特性：（1）SCR反应器处存在多处呈90°的拐角；（2）入口烟道窄，存在拓宽性；（3）限于整个烟道的长度，氨还原剂与烟气混合距离较短，不能充分混合。基于以上特征，烟道流场的紊乱严重影响了SCR反应器运行的稳定性，降低了其对氮氧化物的脱除效率，限制了SCR技术的应用，因此，本文着重分析烟道流场对SCR脱硝系统的影响，以期给燃煤电厂SCR技术提供一定的理论基础。

1 SCR技术简介

1.1 SCR机理简介

选择性催化还原技术（SCR）是燃煤电厂烟气排放中NOx的一项处理工艺，即在催化剂的作用下[2]，喷入还原剂氨或者尿素，与烟气中的NOx反应生成N2和H2O。脱除氮氧化物主要过程：如图1所示，烟气从炉膛进入烟道温度降至300～500℃后，SCR系统中的喷氨格栅将还原剂氨喷入烟道并与烟气充分混合，在催化剂的作用下生成N2和H2O，主要反应过程如下：

图1 SCR脱硝原理

1.2 SCR技术特点

SCR系统主要包括催化反应器（喷氨格栅）、氨还原剂供应系统（提供充足的氨还原剂，参与到NOx的还原当中）、空气和氨气的喷射系统以及整套催化还原系统的控制器。使用催化剂可以降低上述还原NO反应的活化能，使反应温度降低，NO还原可以在较低温度下进行，节省热损失。SCR反应系统一般置于省煤器后、空气预热器之前（又称高尘段布置），省煤器出来的烟温一般在150℃左右，温度较低，符合NO还原反应的温度，避免了烟气再加热消耗热量。氨气在空预器之前喷射进入烟道，与烟气进行充分混合后进入还原系统。

NO还原系统中的催化反应是SCR工艺的核心，催化剂的设计和研制是有烟道系统的烟气条件、成分来确定，NOx的脱除效率、NH3的逃逸率和催化剂体积是重要影响因素。现阶段主要使用商业钒系催化剂，并且催化系统样式有板式、蜂窝式和波纹板式三种类型。

SCR系统现在主要存在以下问题：（1）由于流场分布不均，导致烟气烟速不均，从而NOx测量滞后性较大；（2）烟道流场由于其布置、结构复杂多变，导致流场分布不均匀；（3）动态工况下，氨逃逸现象严重，传统SCR喷氨控制系统调节效果差，喷氨格栅的调平效果差；（4）由于烟气流场不均，局部烟速不同，导致局部区域喷氨过多，局部欠喷。

1.3 氨逃逸现象及其危害

从SCR反应器内排出的未反应完全的氨导致了所谓的“氨逃逸”问题，烟气流速不均、流速过大、氨还原剂过多、催化剂失活以及烟氨混合均匀程度等都是导致氨逃逸问题的重要原因。氨还原剂在还原氮氧化物过程中，NH3逃逸是客观存在的，它可能在空气预热器处与SO3形成硫酸氢铵，其反应式：

硫酸氢铵在不同的温度下分别呈现气态、液态、颗粒状。对于燃煤机组，烟气中飞灰含量较高，硫酸氢铵在150℃～210℃温度范围内为液态；液态硫酸氢铵捕捉飞灰能力极强，会与烟气中的飞灰粒子相结合，附着于预热器传热元件上形成融盐状的积灰，造成预热器的腐蚀、堵灰等，进而影响预热器的换热及机组的正常运行，因此，氨泄漏必须小于5ppm，最好低于2～3ppm，以减少硫酸铵和硫酸氢铵的生成[3]。

2 流场优化分析

SCR脱硝系统虽在设计阶段就已根据烟道流场特性进行了流场优化，但机组在实际运行中经常处于中甚至低负荷运行，偏离设计工况，导致烟道中烟气流紊乱不均，且煤种及其细度的改变，导致烟气中飞灰含量增加，对烟道内导流板、整流格栅等部件冲刷磨损加剧，扩大流场不均程度的同时，造成催化剂局部堵塞，产生恶性循环。另外，机组随着电网负荷大幅增减时，也会导致燃烧工况的突变和烟气流速的急剧变化，造成流场紊乱，降低对氮氧化物的脱除效率。

现阶段计算流体力学（CFD）被广泛运用于流场分析。采用CFD技术模拟烟道压力、烟气速度、温度和氨氮混合程度的分布情况，确定导流板、导流格栅以及喷氨格栅的大致形状和安装位置，在此基础上[4]：（1）可以优化烟道流场和反应器的布置，确定导流板的最佳形状、尺寸、数量以及位置，使氨还原剂与烟气在SCR反应器之前流动均匀和混合均匀；（2）优化流场的温度和压力分布，使反应器入口的压降和温度偏差符合SCR反应器的设计工况；（3）优化反应器中整流器的设置，使催化剂表面烟气的冲角降至最低，延长催化剂的使用寿命；（4）考虑导流板和导流格栅的刚度、强度以及耐磨性，考虑设备在烟道中易于支撑和方便安装；（5）模拟飞灰沉积情况，确定积灰位置。

采用CFD仿真分析技术，基于烟道和SCR系统位置布置，建立烟气流动模型并进行实际烟气模拟实验，测试并验证烟气流量分布，确定导流板和导流格栅的压损减少位置，从而确定两者的几何形状和安装位置，最大限度减小流动阻力并且保证流场压降符合设计要求，优化反应器前烟气流速、温度分布、压力分布和氨氮摩尔比分布，使速度标准偏差、速度偏转角、温度偏差、浓度标准偏差以及压降等性能指标都满足机组运行负荷要求；优化设计喷氨系统以使氨氮混合分布符合反应器入口要求，合理设置喷氨格栅喷嘴位置、间距和数量，防止飞灰沉积造成喷嘴堵塞，模拟不同负荷下飞灰沉积情况，将积灰分布控制在设计范围内；给出导流板、喷氨格栅和整流器优化后的几何形状设计。流场模型的最终结果以工程实际形式给出，实现烟道流场的优化。最终优化效果主要是提高SCR入口处烟气流场的均匀性，较少了催化系统中的NOx浓度波动，降低浓度偏差，减少了喷氨过量现象带来的氨逃逸严重的问题，减少氨耗量。烟道流场优化范围主要是从省煤器出口到空预器入口的烟气系统，主要部件包括导流板、导流格栅、喷氨格栅、整流器和催化剂反应器。

3 流场优化设计常见问题

（1）在初步设计工况下，增加混合烟道长度对改善NH3/NOx摩尔比混合效果不大，同时也不能有效提高第一层催化剂表面上速度的均匀性；

（2）AIG上游烟气流场对SCR反应器内烟气速度的分布及氨气与烟气的有效混合有重要影响。因此在具体设计时，需考虑在某一处转角处增设导流板，并且调整导流板的位置直至实现首层催化剂表面入口处的烟气流速相对标准差7.2%，方能满足技术要求；

（3）在3#转角处设置导流板，对NH3/NOx摩尔比的标准偏差系数影响不大，但对系统内烟气速度标准偏 差系数影响较大，故具体设计时，在3#转角处设置导流板，可提高SCR反应器入口速度的均匀性；

（4）将1#转角的折斜弯道改为圆弯道，同时将3#转角处的弯道半径由1.5m改为2.5m，对提高NH3与NOx的混合程度以及SCR反应器入口速度（第一层催化剂表面）的均匀性效果不明显；

（5）在1#转角处设置导流板对提高SCR反应器入口温度的均匀性效果最为明显，而增加混合烟道长度、在3#转角处设置导流板及修改1#、3#转角形状或改变转弯半径，对SCR反应器入口温度影响不大；

（6）烟气经过烟道转角时方向发生改变，需要将烟气流向调整成竖直向下，不然进入催化剂后，烟气气流会对催化剂入口喷氨格栅表面和内壁冲刷，从而降低催化剂的使用寿命；

（7）SCR喷氨控制具有延迟性，因此在优化流场时应充分考虑，不然会导致喷氨控制品质差，喷氨量波动极大，过量喷氨会降低催化剂使用寿命[5]，对烟道也具有极强的腐蚀。从而加大流场的不均匀度，导致流场优化设计失败，烟道积灰现象严重。

通过数值模拟分析，在进行该工程施工图设计时，对SCR反应器的入口烟道进行了优化设计，并按比例缩小制成物理模型，在实验室通过物理模拟实验，进 行了测试、分析、验证，再据测试结果微调了SCR反应器入口烟道的相关尺寸，使最终确定的反应器入口烟道设计方案满足了工程的实际需要，使工程设计真正做到经济、高效、安全可靠。

4 结语

通过对SCR脱硝系统的研究，发现烟道流场的紊乱是造成氨逃逸以及降低脱硝效率的根本原因，本文结合SCR流场优化的相关研究，总结出了优化流场的主要手段和目的：（1）CFD建模仿真分析技术是SCR流场优化的主要分析方法；（2）优化烟道流场和反应器的布置，确定导流板的最佳形状、尺寸、数量以及位置；（3）优化反应器前烟气流速、温度分布、压力分布和氨氮摩尔比分布，使速度标准偏差、速度偏转角、温度偏差、浓度标准偏差以及压降等性能指标都满足设计要求；（4）优化反应器中整流器的设置，使催化剂表面烟气的冲角降至最低；（5）考虑导流板和导流格栅的刚度、强度以及耐磨性，考虑设备在烟道中易于支撑和方便安装；（6）模拟飞灰沉积情况，确定积灰位置以及控制积灰高度在设计范围内。